carbon Este un element chimic nemetalic al cărui simbol chimic este C. Își datorează numele cărbunelui, vegetalului sau mineralului, unde atomii săi definesc diferite structuri. Mulți autori îl califică drept Regele elementelor, deoarece formează o gamă largă de compuși organici și anorganici și apare și într-un număr considerabil de alotropi..
Și dacă acest lucru nu este suficient pentru a se referi la el ca la un element special, acesta se găsește în toate ființele vii; toate biomoleculele sale își datorează existența stabilității și rezistenței legăturilor C-C și tendinței lor ridicate de concatenare. Carbonul este elementul vieții și, cu atomii săi, corpurile lor sunt construite.
Compușii organici cu care sunt construiți biomaterialele constau practic din schelete de carbon și heteroatomi. Acestea pot fi văzute cu ochiul liber în lemnul copacilor; și, de asemenea, când fulgerul îi lovește și îi prăjește. Solidul negru inert rămas are și carbon; dar este vorba despre cărbune.
Astfel, există manifestări „moarte” ale acestui element: cărbune, produs de ardere în medii sărace în oxigen; și cărbunele mineral, produs al proceselor geologice. Ambele solide seamănă, sunt negre și ard pentru a genera căldură și energie; deși cu randamente diferite.
Din acest moment, carbonul este al 15-lea cel mai abundent element din scoarța terestră. Nu e de mirare când se produc anual milioane de tone de cărbune. Aceste minerale diferă prin proprietățile lor în funcție de gradul de impurități, plasând antracitul drept cărbune mineral de cea mai bună calitate..
Crusta terestră nu este bogată doar în cărbune mineral, ci și în carbonați, în special calcar și dolomiți. Și în ceea ce privește Universul, acesta este al patrulea element din abundență; Adică, există mai mult carbon pe alte planete.
Indice articol
Carbonul poate fi la fel de vechi ca și scoarța terestră. Din timpuri imemoriale, civilizațiile antice au întâlnit acest element în numeroasele sale prezentări naturale: funingine, cărbune, cărbune, cărbune, diamante, grafit, gudron de cărbune, antracit etc..
Toate acele solide, deși împărtășeau tonurile întunecate (cu excepția diamantului), restul proprietăților lor fizice, precum și compoziția lor, difereau remarcabil. Pe atunci era imposibil să pretindem că acestea constau în esență din atomi de carbon.
Astfel, de-a lungul istoriei, cărbunele a fost clasificat în funcție de calitatea sa atunci când ardea și furniza căldură. Și odată cu gazele formate prin arderea sa, au fost încălzite mase de apă, care, la rândul lor, produceau vapori care mișcau turbine care generau curenți electrici..
Carbonul a fost prezent în mod neașteptat în cărbunele produs de arderea copacilor în spații închise sau ermetice; în grafitul cu care au fost realizate creioanele; în diamante folosite ca pietre prețioase; a fost responsabil pentru duritatea oțelului.
Istoria sa merge mână în mână cu lemnul, praful de pușcă, gazele de iluminat ale orașului, trenurile și navele, berea, lubrifianții și alte obiecte esențiale pentru progresul umanității..
În ce moment au fost oamenii de știință capabili să asocieze alotropii și mineralele carbonului cu același element? Cărbunele a fost văzut ca un mineral și nu a fost gândit ca un element chimic demn de tabelul periodic. Primul pas ar fi trebuit să arate că toate aceste solide au fost transformate în același gaz: dioxid de carbon, CODouă.
Antoine Lavoisier în 1772, folosind un cadru din lemn cu lentile mari, a concentrat razele soarelui pe probe de cărbune și un diamant. El a descoperit că niciunul dintre ei nu formează vapori de apă, ci CODouă. A făcut la fel cu funinginea și a obținut aceleași rezultate..
Carl Wilhelm Scheele, în 1779, a găsit relația chimică dintre cărbune și grafit; adică ambele solide erau compuse din aceiași atomi.
Smithson Tennant și William Hyde Wollaston în 1797 au verificat metodologic (prin reacții) că diamantul era într-adevăr compus din carbon prin producerea de CODouă în arderea sa.
Cu aceste rezultate, curând s-a aruncat lumină asupra grafitului și diamantului, solide formate din carbon și, prin urmare, de înaltă puritate; spre deosebire de solidele impure din cărbune și alte minerale carbonice.
Proprietățile fizice sau chimice găsite în solide, minerale sau materiale carbonice sunt supuse multor variabile. Printre acestea se numără: compoziția sau gradul de impurități, hibridizările atomilor de carbon, diversitatea structurilor și morfologia sau dimensiunea porilor..
Când sunt descrise proprietățile carbonului, majoritatea textelor sau surselor bibliografice se bazează pe grafit și diamant..
De ce? Deoarece sunt cei mai cunoscuți alotropi pentru acest element și reprezintă materiale solide sau materiale de înaltă puritate; adică sunt practic alcătuite din nimic mai mult decât atomi de carbon (deși cu structuri diferite, așa cum se va explica în secțiunea următoare).
Proprietățile cărbunelui și cărbunelui mineral diferă în ceea ce privește originile sau compozițiile, respectiv. De exemplu, lignitul (cu conținut scăzut de carbon) ca combustibil se târăște în comparație cu antracitul (cu conținut ridicat de carbon). Și ce se întâmplă cu ceilalți alotropi: nanotuburi, fulereni, grafeni, graffins etc..
Cu toate acestea, din punct de vedere chimic au un punct în comun: se oxidează cu un exces de oxigen în CODouă:
C + SAUDouă => CODouă
Acum, viteza sau temperatura de care au nevoie pentru a se oxida sunt specifice fiecăruia dintre acești alotropi..
Un scurt comentariu va fi, de asemenea, făcut aici cu privire la proprietățile foarte diferite pentru aceste două alotrope:
Configurația electronică pentru atomul de carbon este 1sDouă2sDouă2 PDouă, scris de asemenea ca [He] 2sDouă2 PDouă (imaginea de sus). Această reprezentare corespunde stării sale fundamentale: atomul de carbon izolat și suspendat într-un astfel de vid încât nu poate interacționa cu alții..
Se poate observa că unul dintre orbitalii săi 2p nu are electroni, care acceptă un electron din orbita 2s cu energie inferioară prin promovare electronică; și astfel, atomul dobândește capacitatea de a forma până la patru legături covalente prin intermediul celor patru orbitali hibrizi sp3.
Rețineți că cei patru orbitali sp3 sunt degenerate în energie (aliniate la același nivel). Orbitali p purii sunt mai energici, motiv pentru care sunt deasupra celorlalți orbitali hibrizi (în dreapta imaginii).
Dacă există trei orbitali hibrizi, este pentru că rămâne un orbital p fără hibridizare; prin urmare, sunt trei sp orbitaliDouă. Și când există doi dintre acești orbitali hibrizi, doi orbitali p sunt disponibile pentru a forma legături duble sau triple, fiind hibridizarea carbonului sp.
Astfel de aspecte electronice sunt esențiale pentru a înțelege de ce carbonul poate fi găsit în infinitele alotropilor..
Înainte de a continua cu structurile, merită menționat faptul că, având în vedere configurația electronică de valență 2sDouă2 PDouă, carbonul poate avea următoarele numere de oxidare: +4, +2, 0, -2 și -4.
De ce? Aceste numere corespund presupunerii că există o legătură ionică astfel încât să formați ionii cu sarcinile respective; adică C4+, CDouă+, C0 (neutru), CDouă- și C4-.
Pentru ca carbonul să aibă un număr de oxidare pozitiv, acesta trebuie să piardă electroni; și pentru a face acest lucru, trebuie neapărat să fie legat de atomi foarte electronegativi (cum ar fi oxigenul).
Între timp, pentru ca carbonul să aibă un număr de oxidare negativ, acesta trebuie să câștige electroni prin legarea la atomi metalici sau mai puțin electronegativ decât acesta (cum ar fi hidrogenul).
Primul număr de oxidare, +4, înseamnă că carbonul a pierdut toți electronii de valență; orbitalele 2s și 2p rămân goale. Dacă orbitalul 2p își pierde cei doi electroni, carbonul va avea un număr de oxidare de +2; dacă câștigi doi electroni, vei avea -2; iar dacă câștigi încă doi electroni completându-ți octetul de valență, -4.
De exemplu, pentru CODouă numărul de oxidare al carbonului este +4 (deoarece oxigenul este mai electronegativ); în timp ce pentru CH4, este -4 (deoarece hidrogenul este mai puțin electronegativ).
Pentru CH3OH, numărul de oxidare al carbonului este -2 (+1 pentru H și -2 pentru O); în timp ce pentru HCOOH, este +2 (verificați dacă suma dă 0).
Alte stări de oxidare, cum ar fi -3 și +3, sunt, de asemenea, probabile, mai ales când vine vorba de molecule organice; de exemplu, în grupările metil, -CH3.
Imaginea superioară a arătat nu numai hibridizarea orbitalilor pentru atomul de carbon, ci și geometriile moleculare rezultate atunci când mai mulți atomi (sfere negre) au fost legate de unul central. Acest atom central pentru a avea un mediu geometric specific în spațiu, trebuie să aibă hibridizarea chimică respectivă care îi permite..
De exemplu, pentru tetraedru carbonul central are hibridizare sp3; deoarece acesta este cel mai stabil aranjament pentru cei patru orbitali hibrizi sp3. În cazul carbonilor spDouă, pot forma legături duble și au un mediu plan trigonal; și astfel aceste triunghiuri definesc un hexagon perfect. Și pentru o hibridizare sp, carbonii adoptă o geometrie liniară.
Astfel, geometriile observate în structurile tuturor alotropilor sunt guvernate pur și simplu în tetraedre (sp3), hexagoane sau pentagone (spDouă), și linii (sp).
Tetraedrele definesc o structură 3D, în timp ce hexagonele, pentagonele și liniile, structurile 3D sau 2D; Acestea din urmă devin planuri sau foi similare cu pereții fagurilor:
Și dacă împăturim acest perete hexagonal (pentagonal sau mixt), vom obține un tub (nanotuburi) sau o minge (fulerenele) sau o altă figură. Interacțiunile dintre aceste cifre dau naștere la morfologii diferite.
Lăsând deoparte geometriile, hibridizările sau morfologiile posibilelor structuri ale carbonului, solidele sale pot fi clasificate la nivel global în două tipuri: amorfe sau cristaline. Și între aceste două clasificări se distribuie alotropii lor.
Carbonul amorf este pur și simplu unul care prezintă un amestec arbitrar de tetraedre, hexagoane sau linii, incapabil să stabilească un model structural; astfel este cazul cărbunelui, cărbunelui sau cărbunelui activ, cocsului, funingine etc..
În timp ce carbonul cristalin este format din modele structurale formate din oricare dintre geometriile propuse; de exemplu, diamant (rețea tridimensională de tetraedre) și grafit (foi hexagonale stivuite).
Carbonul poate fi pur ca grafit sau diamant. Acestea se găsesc în depozitele lor mineralogice respective, răspândite pe tot globul și în diferite țări. De aceea, unele națiuni sunt mai exportatori de unul dintre aceste minerale decât altele. Pe scurt, „trebuie să sapi pământul” pentru a obține carbon.
Același lucru se aplică cărbunelui mineral și tipurilor sale. Dar acest lucru nu este cazul cu cărbunele, deoarece un corp bogat în carbon trebuie mai întâi „să piară”, fie sub foc, fie ca un fulger electric; desigur, în absența oxigenului, altfel ar fi eliberat CODouă.
O pădure întreagă este o sursă de carbon precum cărbunele; nu numai pentru copacii săi, ci și pentru fauna sa.
În general, probele care conțin carbon trebuie să fie supuse pirolizei (arzând în absența oxigenului) pentru a elibera unele impurități sub formă de gaze; și astfel, un solid bogat în carbon (amorf sau cristalin) rămâne ca reziduu.
Din nou, la fel ca proprietățile și structura, utilizările sau aplicațiile sunt în concordanță cu alotropii sau formele mineralogice ale carbonului. Cu toate acestea, există anumite generalități care pot fi menționate, pe lângă unele puncte bine cunoscute. Acestea sunt:
-Carbonul a fost folosit de mult timp ca agent de reducere a mineralelor pentru a obține metale pure; de exemplu, fier, siliciu și fosfor, printre altele.
-Este piatra de temelie a vieții, iar chimia organică și biochimia sunt studiile acestei reflecții..
-De asemenea, a fost un combustibil fosil care a permis primelor utilaje să-și întoarcă uneltele. În mod similar, gazul carbon a fost obținut din acesta pentru vechile sisteme de iluminat. Cărbunele era sinonim cu lumină, căldură și energie.
-Amestecat ca aditiv cu fier în diferite proporții, a permis inventarea și îmbunătățirea oțelurilor.
-Culoarea sa neagră a avut loc în artă, în special grafit și toate scrierile făcute cu loviturile sale..
Carbonul și solidele sale nu prezintă niciun risc pentru sănătate. Cui i-a păsat vreodată o pungă de cărbune? Sunt vândute în masă pe culoarele unor piețe și, atâta timp cât nu există foc în apropiere, blocurile lor negre nu vor arde..
Coca-Cola, pe de altă parte, poate prezenta un risc dacă conținutul său de sulf este ridicat. Când este ars, va elibera gaze cu sulf care, pe lângă faptul că sunt toxice, contribuie la ploi acide. Și, deși CODouă în cantități mici nu ne poate sufoca, exercită un impact uriaș asupra mediului ca gaz cu efect de seră.
Din această perspectivă, carbonul este un pericol „pe termen lung”, deoarece arderea sa modifică climatul planetei noastre..
Și într-un sens mai fizic, solidele sau materialele carbonice dacă sunt pulverizate sunt ușor transportate de curenții de aer; și, în consecință, sunt introduse direct în plămâni, ceea ce le poate deteriora iremediabil.
În rest, este foarte obișnuit să consumi „cărbune” atunci când unele alimente sunt gătite.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.